李伟, 杜艳霞
, 姜子涛, 路民旭
北京科技大学新材料技术研究院 北京 100083
LI Wei, DU Yanxia, JIANG Zitao, LU Minxu
中图分类号: TG172.84
文献标识码: A
文章编号: 1005-4537(2016)05-0381-08
通讯作者:
版权声明: 2016 《中国腐蚀与防护学报》编辑部 《中国腐蚀与防护学报》编辑部
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作者简介:
作者简介：李伟,男,1993年生,硕士生
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摘要
分别从电气化铁路交流干扰形式、交流干扰判断指标、电气化铁路对埋地管道影响规律及缓解措施等方面,介绍了国内外电气化铁路对埋地管道交流干扰的研究现状和进展,并对未来电气化铁路交流干扰的研究方向进行了展望。
关键词：
Abstract
With the development of economy, the industrial sectors such as energy and transportation have been growing rapidly, therefore, more and more engineering cases are inevitable that the AC electrified railways should cross or parallel buried pipelines, thereby the effect of AC interference of the electric railway on the buried pipeline is becoming more and more serious. The paper tries to introduce issues related with the effect of AC interference as the follow: AC interference style of electrified railway, the judgment standard of AC interference and mitigation methods, introduced the research status and research progress on AC interference of electrified railway on the buried pipeline. At last, the research trend of the AC interference of electrified railway was discussed.
Keywords：
随着中国经济的蓬勃发展,能源和交通运输行业得到了快速的发展,越来越多的油气管道和电气化铁路建成并投入使用。截至2014年底,我国境内已建成油气管道总里程达11.7万公里[1];而预计到2020年,我国电气化铁路营业里程将达到6万公里,包含1.6万公里的高速铁路[2]。
由于受到空间资源、地理环境的限制,电气化铁路与埋地金属管道常常在“公共走廊”长距离并行或交叉而建,在这些地段,电气化铁路对相邻的地下金属管道可能会产生交流干扰。国内外已经出现了电气化铁路对埋地管道造成交流干扰的案例[3-6]。在德国,一条挤压聚乙烯涂层管线与一条15 kV的交流电气化铁路的钢轨平行铺设,在该管线上发现两处异常腐蚀被确认为是交流干扰引起的交流腐蚀,然而在这些管道位置测得的断电电位比-1.0 V(CSE) 更负[7]。在我国,秦沈客运专线对其沿线铁秦线管道产生交流干扰,交流干扰电压最高达167 V[8]。交流干扰不仅可能会使埋地管道发生交流腐蚀[9,10],而且可能会危及人身安全,损害防护设备,威胁管道安全运营。同时,高速电气化铁路相对于普速电气化铁路所需的功率更高、电流更大,其产生的交流干扰问题可能会更为严重和复杂[11]。如何有效检测、评估及控制电气化铁路交流干扰问题,成为我国电气化铁路领域实际生产中亟待研究解决的难题[12]。
随着越来越多的电气化铁路和管道的建成并投入使用,开展电气化铁路对埋地金属管道交流干扰的研究,对于实际工程中电气化铁路附近管道的安全运行具有重要的借鉴和指导意义。本文介绍了当前电气化铁路主要的牵引供电系统及其对埋地管道的干扰形式,详细介绍了国内外关于判断标准、电气化铁路对埋地管道的影响规律及其缓解措施等研究现状,并对电气化铁路动态交流干扰的未来发展方向进行了展望。
我国电气化铁路采用单相工频交流供电制式,接触网额定电压采用25 kV,额定频率为50 Hz。电力牵引的供电回路采用接触网-钢轨 (大地) 方式,属于不平衡供电系统。这种不平衡供电系统,将对周围空间产生电场和磁场,对铁路沿线各种弱电设施存在电磁干扰影响[13]。
图1为电气化铁路牵引供电系统示意图。电气化铁路供电系统由路外供电部分和路内供电部分组成。由地方发电厂经高压输电线路引入铁路牵引变电所,属于路外供电部分;由铁路牵引变电所牵引变压器变压,经馈电线和接触网从机车受电弓引下电能供给电力机车,再从轨道、大地和回流线返回牵引变电所,电流回路为：牵引变电所→馈电线→接触网→电力机车→钢轨和大地→回流线→牵引变电所[14],这部分属于路内供电部分。
我国电气化铁路接触网的供电方式有直接 (TR) 供电方式、吸流变压器 (BT) 供电方式、自耦变压器 (AT) 供电方式和同轴电缆 (CC) 供电方式[15]。目前,我国大部分客运专线都已采用AT供电方式。
AT供电方式是在接触网上与正馈线之间并联接入一台自耦变压器,其中性点与钢轨相接。每隔约10 km设置一台自耦变压器,它将牵引网的供电电压提高一倍,而供给电力机车的电压仍为25 kV,其工作原理如图2所示。
电力机车由接触网受电后,牵引电流一般由钢轨流回,由于自耦变压器的作用,钢轨上的回流经自耦变压器绕组和正馈线流回变电所。当自耦变压器的一个绕组流过机车电流时,其另一个绕组感应出电流供给电力机车,因此实际上当机车负荷电流为I时,接触网和正馈线供给的电流为I/2,负荷电流I是由自耦变压器感应电流供给的。
图1 电气化铁路牵引供电系统示意图[
Fig.1 Schematic diagram of electrified railwaytraction power supply system[
图2 AT供电方式的工作原理示意图[
Fig.2 Principle schematic diagram of the AT power supply mode[
电气化铁路对埋地管道的干扰方式主要有3种：容性耦合干扰、阻性耦合干扰和感性耦合干扰。容性耦合干扰仅存在于管道存放于地面且与大地绝缘时,当管道埋入地下后,电气化铁路对钢质管道的容性耦合干扰可以忽略不计,只存在着一定程度的阻性耦合干扰和感性耦合干扰。分别如下：
2.2.1 阻性耦合干扰 钢轨作为牵引供电系统的重要组成部分之一,除了作为机车车辆的走行轨之外,还起到牵引供电网回流线的作用。但是,由于道渣床上的钢轨与大地间并不是完全绝缘,机车正常运行时部分牵引电流可在机车附近 (电流泄漏点) 通过钢轨泄入大地。这样,流入大地的部分杂散电流会对埋地金属管道造成阻性耦合干扰,威胁管道安全运行。此外,在故障情况下,几百安培或几千安培的故障电流通过接地体入地,在管道周围形成一个强大电场,它可能产生电弧烧穿金属管道,击毁管道防腐绝缘层和阴极保护设备[13]。图3为阻性耦合干扰示意图。
2.2.2 感性耦合干扰 管道和接触网近距离平行或斜接近时,接触网中流动的交流电流会在导线周围产生交变磁场,根据Faraday电磁感应定律,管道在该交变磁场作用下产生感应电压和感应电流。图4为感性耦合干扰示意图。
阻性耦合干扰和感性耦合干扰是电气化铁路对埋地管道干扰的主要形式,但两种干扰形式主次及其干扰程度影响因素并不明确。张小月[16]认为交流电气化铁路的牵引供电系统主要通过阻性耦合的方式对附近埋地管道产生干扰。但是Fickert等[17]对奥地利某电气化铁路 (15 kV,16.7 Hz) 对埋地管道的交流干扰进行分析与研究,认为电气化铁路对埋地管道的交流干扰以感性耦合干扰为主。孙佩奇[18]和Braunstein等[19]认为对于与铁路近距平行的埋地管道,感性耦合干扰是其最主要的干扰方式。
虽然国内外关于电气化铁路对埋地管道主要干扰形式进行了研究,但是并未形成统一的认识。因此,明确电气化铁路影响埋地管道干扰形式主次及其影响因素,对实际工程中电气化铁路交流干扰的缓解具有重要的意义。
交流电气化铁路正常运行时,其对附近埋地管道产生交流干扰的影响,干扰程度与机车的运行频次、载荷量等有着很大的关系,其干扰幅度是动态变化的。图5为某高压交流输电线附近管线交流干扰电压和交流电流密度,图6为某高速铁路附近管线交流干扰电压和交流电流密度。从图5和6中对比可以看出,高压交流输电线对埋地管道的交流干扰属于稳态交流干扰,管道交流干扰电压和交流电流密度变化缓慢,曲线无明显尖峰;而电气化铁路附近埋地管道的交流干扰电压和交流电流密度变化剧烈,曲线有明显波动的尖峰,属于动态交流干扰。Fickert等[17]和Panossian等[4]也在现场测试中发现了类似的动态干扰特性。同时,有学者[10]通过实地测试发现某高速铁路附近存在明显的直流成分杂散电流,但其产生原因暂不明确。
图5 某高压交流输电线附近管线交流干扰电压和交流电流密度[
Fig.5 AC voltage and AC current density on buried pipeline near high voltage AC transmission line[
图6 某电气化铁路附近管线交流干扰电压和交流电流密度[
Fig.6 AC voltage and AC current density on buried pipeline near electrified railway[
目前,国内外均无专门针对电气化铁路动态交流干扰的判断指标,其交流干扰的判别主要依据已有比较成熟的稳态交流干扰判断指标。交流干扰电压是表征交流干扰强弱的直接物理量,在现场易于测量和计算。GB/T50698-2011[20]中针对不同的土壤电阻率规定了交流干扰电压对管道的影响程度,在土壤电阻率≤25 Ωm的地方,管道交流干扰电压应低于4 V;在土壤内土壤电阻率>25 Ωm的地方,交流电流密度应小于60 A/m2。同时该标准还提出基于交流电流密度 (JAC) 的交流干扰程度的判断指标,当JAC<30 Am-2时,交流干扰程度为弱;当30 Am-2<JAC<100 Am-2时,交流干扰程度为中;当JAC<100 Am-2时,交流干扰程度为强。欧洲标准CEN/TS 15280[21]针对不同土壤的电阻率,规定了交流干扰电压对管道的影响程度：当管道附近局部土壤电阻率大于25 Ωm时,交流干扰电压不应超过10 V;当局部土壤电阻率小于25 Ωm时,交流干扰电压不应超过4 V。
NACE标准RP0177-2000[22]从人身安全的角度出发,规定交流感应电压最大不应超过15 V。奥地利标准TE 30[23]和AfK-Empfehlung Nr.3[24]均指出正常运行条件下人体保护接触电压应低于65 V,故障时容许值为500 V。TB/T 2832-1997[25]中规定：交流电气化铁道接触网正常运行状态下,管道对地电压容许值为60 V;故障状态下,管道对地电压容许值为430 V。目前我国电力行业规定的故障情况下人身安全电压按下式计算：
式中,Us为人身安全电压;ρ为土壤电阻率;ts为故障时间。
意大利标准CEI 9-34[26]中规定了正常和故障状态下人体和管道安全电压容许值 (电压均为均方根值),如表1所示。
郭庆茹等[27]针对电气化铁路引起的间歇干扰的特殊性,其判定和评价指标的可操作性受到一定限制,在交流干扰排流效果传统评价指标-持续干扰指标的基础上,提出了间歇干扰补充评价指标-交流干扰频度的概念。
目前,国内外关于交流干扰检测、判别及其干扰程度的标准均是基于对高压输电线稳态交流干扰研究得到的相关指标,而这些指标是否适用于电气化铁路动态交流干扰的检测与判别,以及如何对电气化铁路交流干扰进行检测和判别,尚待进一步研究。
表1 意大利标准CEI 9-34规定的管地电位容许值[
Table 1 Voltage-to-earth limits prescribed by the Italian provisional standard CEI 93-4[
| Operating state | People | Structure |
|---|---|---|
| Normal use | 60 V | 60 V for the voltage to remote earth 50 V for the voltage-to-earth on the measuring site |
| Conditions of fault | 430÷2000 V for switch intervention time between 1 and 0.1 s | 2000 V for the voltage to remote earth 500 V for insulating joints 2000 V for monolithic joints |
国内外对于交流干扰的大量研究主要是2000年之后,主要集中在高压交流输电线路的交流干扰,对于电气化铁路的交流干扰研究较少,目前仍处于起步阶段。
李自力等[28]和卫续[29]通过建立模拟试验装置进行电气化铁路交流干扰的模拟实验,指出平行条件下管地电位偏移程度随着铁路与管线平行间距的增大而减小,交叉条件下管地电位偏移程度随着铁路与管线交叉角 (锐角) 的增大而减小,泄漏点和回流点附近处管地电位偏移程度最大。同时卫续[29]通过现场测试发现,在同样的测试条件下,与电气化铁路平行的管道长度越长时,管段所受到干扰越弱,当平行管段长度越短时,管段所受干扰越强。
王双平[30]认为管道交流干扰程度与铁路的牵引负荷电流、管道与铁路的间距 (平行间距、交叉垂直间距) 及平行长度等因素密切相关,与铁路平行接近的管道所受干扰要明显强于与铁路交叉分布的管道。鲜俊等[31]也认为电气化铁路与管线平行时对埋地管线影响要大于交叉情况。郭庆茹等[27]通过现场测试发现平行段内各点电位分布不平衡,干扰电位沿管段呈现两端高、中间低的特点。干扰源负荷越大,平行间距越小,平行段管道受交流干扰的程度越强。交叉段管道的交流干扰均较弱,其干扰程度与所在位置、干扰负荷及交越点路基的高度等因素有关。同时,在同一个铁路供电区间内,干扰负荷相近,此时平行长度较长的管段所受干扰要强于长度较短的管段。
程彤等[32]对京沪高铁沿线钢质燃气管道的交流干扰情况进行了现场测试,通过测试京沪高铁在试运行、正式开通后交流干扰的变化情况,表明高铁发车密度越大、载重量越重,所产生的交流干扰明显加大,波动明显增加。徐士祺[33]应用镜像法对单线和复线直接供电方式的电气化铁道产生的电磁场进行了计算,计算的结果表明单线供电时周围的磁场强度分布要大于复线供电方式的周围磁场强度。同时,还指出交流杂散电流存在时,牺牲阳极的保护性能下降。高攸纲等[34]对交流电气化铁路的交流干扰影响进行了研究,给出了交流电气化铁道引起的地电位的计算方法。
众多学者仅是对电气化铁路并行间距、并行距离和交叉角度等地理因素对管道的影响规律进行初步探讨,研究的影响因素有限。在各种耦合干扰情况下埋地管道的交流干扰程度与多种参数有关,如：正常或故障状态下的牵引电流、管道防腐层材质、管道直径和土壤电阻率等。现有的研究表明,电气化铁路产生的动态交流干扰会引起管道的交流干扰以及阴极保护参数的波动,其干扰机制及腐蚀机理仍不明确。同时,电气化铁路动态交流干扰对埋地管道的腐蚀行为 (如：腐蚀速率和腐蚀形貌等) 有何影响,以及管道的安全运行是否存在风险,如何评估这些风险等等,有待更多学者进行深入研究。
为了降低电气化铁路对油气管道的干扰影响,需要采取有效的缓解措施,下面总结了目前国内外采用的主要缓解措施。
在电气化铁路与管道间加设屏蔽措施,可以使得电气化铁路对管道的阻性耦合干扰降低。该法主要用于确定的干扰电流集中流入管道的部位,目的在于阻断杂散电流流入管道,从而降低干扰程度。BS EN 50443-2011[35]中提出在受阻性耦合干扰的管段可以采用增设屏蔽措施,屏蔽物铺设在管道附近,与管道无连接。
在不易消除电磁场影响地段,用绝缘法兰将管道分隔为短段,减小影响段长度,从而减小感应电压。但是,这种方法需要在运行的管道上进行施工,对管道的正常运行有一定的影响,也具有一定的施工难度。
Santi等[3]认为对于与电气化铁路平行铺设并带有防腐层的管道,可以将其进行分段隔离,这样可以降低杂散电流的流入,从而降低了交流干扰电压。文献[36]指出对于交叉穿越铁轨的管道,可以将管道置于套管内,并将交叉管段与其他管段隔离。BS EN 50443-2011[35]中建议在受感性耦合干扰影响较大的管段采用绝缘接头进行分段隔离处理。Braunstein等[19]将与电气化铁路平行长约20 km的受干扰管道在其10 km处采取分段隔离措施,交流干扰电压最大值由98 V降到50 V,降低约50%。
接地防护是通过安装接地地床来对交流干扰进行缓解,以消除交流干扰电压对人身及设备的危害。接地防护一般分为直接接地防护、牺牲阳极防护和钳位排流防护等[37]。
程彤等[32]通过实地测试发现北京燃气金星路管道受京沪高铁影响,管道交流干扰电压达5 V以上,采用锌阳极地床缓解,将交流干扰电压降至1.6 V。付山林等[38]也通过锌阳极地床将北京燃气京良路管道所受交流干扰缓解到正常水平。司德创[39]针对玉铁铁路对其附近石油管道的交流干扰问题,施加牺牲阳极缓解措施,施加牺牲阳极缓解前交流干扰电压达到87.32 V,施加牺牲阳极缓解后降到6.01 V,管道交流干扰电压较无缓解时明显下降。
吴长访等[8]针对铁秦线管道受到秦沈客运专线的杂散电流干扰问题,采用钳位式缓解保护方法,管道交流干扰电压最大值从167 V降低到不足30 V,干扰段交流干扰电压平均值均低于5 V,满足标准的规定,管道存在的交流干扰问题得到较好的解决。王双平[30]发现东北原油管网受哈大电气化铁路影响,通过安装钳位式排流器和缓解地床,大幅降低了交流干扰程度。管道交流干扰电压的最大值从48.1 V降至7.3 V。闫明珍等[40]发现忠县-武汉输气管道与电气化铁路及高压输电线并行时,管道交流干扰电压达37 V,使用兼具钳位式排流和极性排流双作用的排流器后,交流干扰电压降至10 V以下。郭庆茹等[27]发现东北输油管网主干管道受到哈大电气化铁路干扰,最大交流干扰电压可达28 V,采用钳位缓解为主,增加绝缘法兰为辅的干扰防护设计,将管道交流干扰电压降至10 V以下。
卫续[29]对新疆地区受某电气化铁路干扰的A线管道所采取的屏蔽措施有一定的保护作用,但是作用不明显;而此处增设的接地防护措施具有较为明显的效果。鲜俊等[31]发现新疆油田KWY-D529和KWY-D377管线受乌鲁木齐-阿拉山口铁路影响,管地电位最大偏移达10 V。通过采用极性排流和负电位排流相结合的方式对影响严重的测试点进行缓解,缓解后管地电位均降至4 V以下,管地电位波动大幅度降低,管道受影响程度大大降低。此外,张小月[16]认为接地缓解是减小电气化铁路对油气管道电磁干扰的有效措施。1985年,为解决京秦电气化铁路对秦京输油管道的交流干扰问题,采取了排流和使用高抗干扰性能的恒电位仪等防护措施[41]。对于电气化铁路故障状态下管道的保护,Fickert等[17]和BS EN 50443-2011[35]提出采用浪涌保护器 (SPD) 以应对故障状态或非常特殊操作条件。
对于与电气化铁路平行,管道两端对地不绝缘且无阴极保护的管道,在受影响区采取直接接地排流措施;对于管道两端对地绝缘且有阴极保护的管道增设极性排流缓解措施 (牺牲阳极极性防护连接或钳位排流等);对于交叉穿越铁路以阻性耦合干扰为主的管道,应局部改善防腐层绝缘条件后增设缓解措施[42]。
Morelli[43]和BS EN 50443-2011[35]认为AT供电方式能够减轻电气化铁路对附近埋地管道干扰的影响。
众多学者针对不同环境下提出了多种交流干扰的缓解措施,然而对于复杂环境下不同缓解地床间的相互影响机制不明确,以及如何根据现场的实际情况选择合适的地床形式,以得到最优的缓解设计是电气化铁路交流干扰缓解技术发展的一个重要方向。
近年来,随着边界元、有限元等数值模拟技术的发展,利用数值模拟计算技术进行埋地管道交流干扰缓解方案设计已成为国内外主要发展趋势[44,45],如研究人员[46,47]研发的CDEGS集成工程软件包已成为国内外交流干扰领域的权威。但是,目前的应用主要集中于高压交流输电线路引起的交流干扰,而对于电气化铁路阻性耦合及感应耦合综合作用的交流干扰模型及缓解计算研究较少,同时由于电气化铁路交流干扰的动态变化特性,导致在建模计算时存在一定的困难,有待于进一步的研究。
当前,埋地管道受电气化铁路的交流干扰问题日益严重,其干扰问题亟待解决,研究电气化铁路动态交流干扰对埋地管道的影响具有迫切而重要的现实意义。目前,人们关于交流干扰的研究大多集中在高压输电线对埋地管道的稳态交流干扰,并提出了众多稳态交流干扰下的交流腐蚀机理,以及稳态交流干扰对管道阴极保护系统和阴极保护判据的影响研究。但是,对于电气化铁路对埋地管道动态交流干扰的研究仍处于起步阶段,对管道沿途的电气化铁路产生的交流干扰及其对管道防腐性能的影响进行正确的评估,是防治电气化铁路交流干扰下埋地管道腐蚀的重要条件。为了对电气化铁路交流干扰进行准确的评价与防护,需要在以下几个方面开展深入的研究工作：(1) 电气化铁路对埋地管道交流干扰的安全影响与评估;(2) 电气化铁路交流干扰对埋地管道阴极保护系统的影响及其作用机制;(3) 电气化铁路交流干扰评价与判定的标准;(4) 电气化铁路交流干扰缓解措施计算模型的建立及其优化设计。
The authors have declared that no competing interests exist.
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